水煤浆输送管道磨损过程的解析

D0I:10.13374/i.is8n1001053x.1992.01.030 北京科技大学学报 第14卷第1期 Vo1.14No,1 1992年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.1992 水煤浆输送管道磨损过程的解析 夏德宏·徐文利”王世均· 摘要：分析了水煤浆管道籀送过程中的浆体流动规律及煤粉颗粒的运动情况。通过对 煤粉颗粒和管壁的摩擦过程分析，推导了水煤浆输送管道的管壁磨损量计算方法。计算表 明：水煤浆对管壁的磨损很小。这进一步证明了建立长距离水煤浆管道粕送系统的可行性。 通过对管道磨损过程的解析，提出了减少磨损的具体措龙。 关键词：水煤浆，磨损，管内该动 An Analytical Study on Pipe Wearing of CWS Transportation Xia Dehong'Xu Wenli Wang Shijun. ABSTRACT:The flow characteristics of Coal-Water Slurry (CWS)and the mo- vement of coal powder in the pipeline transportation of CWS are analysed. Then,the calculation method of CWS pipe wearing has been got by analysing the rub process of coal powder with inner surface of pipe.It has been proved by the calculation results that the pipe wearing is very slight in proof of the feisibility of long distance pipeline transportation of CWS.Detailed measures are also analysed to reduce pipe wearing of CWS. KEY WORDS:Coal-Water Slurry,wearing,pipe flow 水煤浆是一种新型的煤基流体燃料，它可以采用管道泵送。目前，美国和苏联都已经 建立了长达数百公里的输煤和输浆管道？1)。我国对煤浆管道运输问题也十分重视，并在唐 1991-07-06收到初稿，1991-10-12收到修改稿 ,热能工程系(Department of Energy Engincering) 83

第1 4 卷第 1 期 x。 马2年 1 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g V o l 。 1 4 N o 。 1 J a n 。 19 9 2 水煤浆输送管道磨损过程的解析 夏 德宏 ’ 徐文 利 ’ 王 世均 ` 摘 要 : 分析了水煤浆管道输送过 程中的浆 体流动规律及煤粉颗粒 的 运动情况 。 通 过 对 煤粉颗 粒和管壁的摩擦过程分析 , 推导了水 煤浆输送管道 的管 壁磨损量计算 方 法 。 计 算 表 明 : 水煤 浆对管壁 的磨损很小 。 这进 一步证 明 了建立长距离水煤桨管道输送系统 的可 行性 。 通 过对 管道磨 损过程 的解析 , 提出了 减少磨损的具体措施 。 关键 词 : 水煤桨 , 磨损 , 管内流动 A n A n a l y t i e a l S t u d y o n P I P e W e a r i n g o f CW S T r a n s P o r t a t i o n X i a D e h o 作 g . X “ 牙 e n l f . 牙 。 ” 夕 S h 玄i 。 路 . A B ST R A C T : T h o f l o w e h a r a e t e r i s t i e s o f C o a l 一 W a t e r S l u r r y ( C W S ) a n d t五e m o - v e m e n t o f e o a l p o w d e r i n t h e p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n o f C W S a r e a n a l y s e d . T h e n , t h e e a l e u l a t i o n m e t h o d o f C W S p i p e w e a r i n g h a s b o e n g o t b y a n a l y s i n g t h e r u b P r o e e s s o f e o a l p o w d e r w i t h i n n e r s 往 r f a e e o f p i p e 。 I t 五a s b e e n p r o v e d b y t h e e a l e u l a t i o n r e s u l t s t h a t t h e p i p e w e a r i n g 1 5 v e r y s li g h t i n p r o o f o f t h e f e i s i b i li t y o f l o n g d i s t a n e e p sp e l s n e t r a n s p o r t a t i o n o f C W S 。 D e t a i l e d m e a s u r e s a r e a l s o a n a l y s e d t o r e d u e e p i p e w e a r i n g o f C W S . K E Y W O R D S : C o a l 一 W a t e r S l u r r y , w e a r i n g , p i p e f l o w 水煤浆是一种新型的煤基流体燃料 , 它可 以采 用管道泵送 。 目前 , 美国和苏 联 都 已 经 建立 了长达数百公 里的 输煤和输浆管道 〔 ` ’ 。 我 国对煤浆管道运输向题也十分重 视 , 并 在 唐 1 , 9 1 一 0 7 一 0 6收到初稿 , 1 9 9 2 一 1 0 一 1 2 收到修改稿 热能工程 系 ( D e P a r t ” e n t O f E n e r g y E n 多三a e e r i n g ) 略 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 01. 030

山建起了我国第一个管道输煤输浆试验中心，桂林钢厂的800m水煤浆厂区输送管线已安全可 靠地运行了2年多。为了进一步推广应用水煤浆和缓和我国煤炭铁路运输的紧张局面，必须 建立长距离的输浆管线。煤浆在管内流动呈何种运动状态、煤浆对管道的磨损情况如何等等 问题都是人们十分关注的，也是水煤浆推广应用中必须解决的关键技术问题。 1水煤浆管内流动状态分析 水煤浆是一种具有触变性的复杂非牛顿流体。但是大量实验证实(2)：处于各种触变结 构的水煤浆的流变性都可以用不同屈服应力和塑性粘度的Bingham塑性流体模型来描述。它 在管内的流动可以分为2个区域，即管壁附近的剪切流区(r>r)和管中心附近的塞状流区 (r≤「p)。水煤浆在管内流动时的速度分布和剪切应力分布可表示为()： a=,C-r内）-，(R-)门 当r>rp,剪切流区 (1) =2,C-(2张)门-，〔r-()门当 r≤rp,塞状流区 (2) T=(r/2)(4P/L) (3) 式(1)、(2)、(3)中，4、4P、L、R、r、Ty分别为水煤浆的塑性粘度、管道两端的 压力差、管道长度、管道半径、管内的任意半 径及水煤浆的屈服应力。 由于水煤浆中添加剂的加人，使得煤粉颗 粒在水中分散得非常均匀，但毕竟还是一种固 液两相悬浮体，煤粉颗粒的运动状况也是需要 了解的。在剪切流区，由于存在速度梯度，煤 粉颗粒将受到一个剪切转矩的作用而发生旋 图1煤粉颗粒在速度梯度场中旋转 转，如图1所示。速度梯度越大，颗粒旋转 Fig.1 Rotation of coal powder in a field 越快，在塞状流区，速度梯度为零，颗粒不旋 with velocity gradient 转。 由此可见，在剪切流区，煤粉颗粒除了以整体的滑动外还附加了自身的旋转运动。根据 对剪切流区颗粒的受力分折，可以导出低剪切雪诺数(R©。= d/v≤1)时的颗粒旋 转速度为3： 7=(1/2)7×u (4) 实际水煤浆管道输送过程中，R。《1,,由此可以推导出水煤浆管道输送中煤粉颗粒的 旋转速度分布为： 当r>rp,剪切流区 (5) 84

山建 起 了我 国第一个管道输煤 输浆试验中心 , 桂林钢厂 的 8 0 nt 水煤 桨厂 区输送管线 已安 全可 靠地运 行了 2 年多 。 为 了进一步 推广应用 水煤浆和缓和我 国煤炭铁路运输 的紧张局 面 , 必 须 建立长距离的输 桨管线 。 煤浆在 管内梳 动呈何种运动状态 、 煤浆对管道的磨损情况如何等等 问 题都是人们十 分关注 的 , 也是水煤浆 推广应用 中必须解决的 关键技术 问题 。 水煤浆管 内流动状态分析 水煤浆是一种具 有触变性的 复杂非牛顿流体 。 但是大量实验证 实 〔 2 ’ : 处于各种触 变 结 构的 水煤浆的流变性都可以 用不同屈 服应 力和 塑性粘度的 iB 鳍 h a m 塑性流体模型来描述 。 它 在管内的 流动可以分为 2 个区域 , 即 管壁附近的剪切流区 (r > r , ) 和管中心附近的塞状 流 区 (r ( , 尸 ) 。 水煤浆在管内流动时的速度分布和剪切 应力分布可表示为 〔 “ ’ : 1 产 J P _ 。 。 、 _ 、 、 、 , _ _ 一 _ , _ . 、 _ u = 一厂 t 而了 ( “ ` 一 r ` ) 一 T , ( 允 一 r ) ! 兰 r 夕 r , , 勇切 流区 ( 1 ) 尸 尸 , 、 任 ~ 尸州 尸 1 冈p 产 _ 。 U 二 - -一 厂二二井 I 亢 ` 一 邓 , 1 4 .L 、 〕 一 下 , 〔 “ 一 ( 2丫 , L 』尸 回 当 · 守一 塞 状 流 区 ( 2 ) ( 3 ) 、 R 、 , 、 , , 分别为水煤浆的 塑性粘度 、 管道 两 端 的 ) 一L L , 、 尸一P , 、 1月2P 一了卜J , ù一 " J , 二 ( r / 2 ) (」 P / L ) 式 ( l ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 中 , 声尸 、 压力差 、 管道长度 、 管道半 径 、 径及水煤浆的 屈服应力 。 管 内的任 意半 由于水 煤浆 中添加剂的加人 , 使 得煤粉颗 粒在 水中分散 得非常 均 匀 , 但毕竟还是一种 固 液 两相 悬浮 体 , 煤粉颗 粒的运动 状况也是需要 了解的 。 在 剪切流 区 , 由于存在速度梯度 , 煤 粉颗粒将受到 一个剪切 转矩的 作用 而 发 生 旋 转 , 如图 1 所示 。 速度梯度越大 , 颗 粒 旋 转 越快 ; 在 塞状流 区 , 速度 梯度为零 , 颗粒不旋 转 。 一 , . ’ - 呀 几 一一岑人一乡 穿 图 l 煤粉颖 粒在速度 梯度场 中旋转 F 1 9 . 1 R o t a t i o n o f c o a l P o w d e r i n a f i e l d w i t h v e ! o c i t y g r a d i e n t 由此可 见 , 在 剪切 流区 , 煤粉颗 粒 除 了以整体的滑动外 还附加了 自身 的旋转运动 。 根据 对剪切 流区颗 粒 的受力分析 , 转速度为 〔 3 ’ : _ ` 、 . 一 . , ` _ , _ . _ _ 、 . _ _ . _ . _ ! d u ! 弓 以导 出 做 剪切 雷话 数 ( 允 e “ = }了 } “ 到 , ( 1 ) 时的颗 粒旋 矿 实际水煤桨管道输送 过程 中 , R e 。 《 1 旋转速度 分布为 : = ( 1 / 2 ) F x u ( 4 ) , , 由 此可 以推导 出水煤浆管道输送 中煤粉 颗粒的 d 尸 厄工r 一 丁 y 当 『 > r , , 剪切流 区 ( 5 )

W=0 当r≤rp,塞状流区 (6) 工程应用中管壁附近剪切流区的流速可平均取为1m/s,由式(5)及有关的水煤浆管内流 动参数可以求得，壁面附近煤粉颗粒的旋转速度为2.7/5。 综上所述，在两个流区中，水煤浆的速度、剪应力、颗粒旋转速度分布如图2所示。 图2水煤浆在管中输送时的速度、剪应力和煤粒旋转速度 Fig.2 Velocity,shear stress and rotation of CwS in pipelinc transportation 弄清了水煤浆在管内的流动规律及煤粉颗粒在管壁上滑滚运动情况，下面就可以研究水 煤浆输送管道的磨损过程。 2水煤浆输送管道磨损分析 2,1水浆管道磨损机理 一般的磨粒磨损根据磨粒与壁面材料的接触情况可分3大类，即弹性挤压、塑性挤压和 微切削破环。 (1)作用载荷在接触区产生的应力未超过材料的屈服极限时，配对体的突部材料发生弹 性挤压，在这种情况下，材料的破坏只可能是摩擦疲劳所引起。 (2)当接触应力达到屈服极限，壁面材料环绕磨粒压陷突部流动时，材料发生塑性挤 压。在这种情况下，磨损将由低循环磨擦疲劳所引起。 (3)当接触应力或接触变形达到破坏值（变形材料环绕突部流动的状态受到破坏）时， 发生微切削。在这种情况下，磨损发生在相互作用的初期。 以上8种磨损形式主要是依据接触应力的大小分类的，此外还可以用磨粒的压入深度或 挤压量与磨粒的半径之比(h/r)来判别，如表1所示。 表1磨粒魔损的3种类型特征 Table 1 Three kinds of wearing with abrasive particle 变形性质 弹性挤压 塑性挤压 微切翻 引起基体破坏 的循环次数 打-+的 1<n< R+1 工作条件 i/r<0.01 hr>0.01 >号1-：) 0 一般水煤浆厂区管道输送的输送压力为0.1~1,0MPa,长距离管道输送的输送压力为 1.0~10MPa。这样的输浆压力通过煤粒和水作用在管壁上，但这个作用力远远小于材料的 屈服极限（钢材的0s约为300MP)，所以磨粒一煤颗粒与管壁的接触只能是弹性挤压。 85

当 ; 镇 : , , 塞 状流区 ( 6 ) 、=0 班 工程应 用 中管壁 附近剪切流区 的 流速可 平均取为 l m s/ , 由式 (5 ) 及有 关 的水 煤浆管内 流 动 参数可 以求得 , 壁面附近 煤粉 颗粒 的 旋转速度为 2 . 7 r s/ 。 综上所述 , 在 两个流 区中 , 水煤浆的速度 、 剪应 力 、 颗粒旋转速度分布如图 2 所示 。 {纤毖、 _ _ _ _ . _ _ _ 』 一 ~ 岌 {一 ’ _ 一 ” 骂 切 }比二马— 一一 一 一 一 一一勺[ _ _ _ _ _ _ l 注三上泣_ _ _ _ _ 二二7 「一 一 ” ’ 一 }爷 。 l }(事厂一一 一 一 一戏 _ _ _ ` - - - 「〕 一 图2 水煤浆在管 中输送 时 的 速度 、 剪应力和煤粒旋转速 度 F 1 9 . 2 v e l o c i t y , s h e a r s t t e s s a n d r o t a t i o n o f C w s 宜n P 呈P e l i n e t r a n , P o r t a t i o n 弄清了水煤浆在 管内的流动规律 及煤粉颗粒在管壁上滑滚运动情况 , 下 面就可 以研 究水 煤桨输送管道的磨损 过程 。 2 水煤浆输送管道磨损分析 2 . 1 水浆管道磨 摄机理 一般 的磨粒磨损根据磨粒与壁 面材料 的接触情 况可 分 3 大类 , 即 弹性挤 压 、 塑性挤 压和 微切 削破坏 。 ( 1) 作 用载荷在 接触区产生的应 力未 超过材料的 屈服极限时 , 配 对体的突部材料发生弹 性挤压 , 在这 种情况下 , 材料 的 破坏 只可能是摩擦 疲劳 所引起 。 ( 2) 当接触应 力达到 屈服 极限 , 壁面材料环绕磨粒压陷 突部流动时 , 材料发 生 塑 性 挤 压 。 在 这种情 况下 , 磨损将 由低循 环磨 擦 疲劳 所引起 。 ( 3) 当接触应力或接触变形达到破 坏 值 ( 变形材料环 绕突部流 动的 状态 受 到破坏 ) 时 , 发 生微切 削 。 在 这种情况下 , 磨损发 生在相互作用 的初期 。 以上 3 种磨 损形式主要是 依 据接 触应 力的大 小分类的 , 此 外还可以 用磨粒 的 压入 深度或 挤 压量与磨粒 的半径 之比 ( h r/ ) 来 判别 , 如表 1 所示 。 表 1 磨粒 磨损 的 3 种 类型特 征 T a b l e 1 T h r e e k i n d s o f w e a r i n g w i t h a b r a s i v e p a r t i e l e 变 形 性 质 弹 性 挤 压 塑 性 桥 压 微 切 削 引起基 体破坏 的循环次数 l < n < 伪 工 作条件 凡 / r ( 0 . 0 1 人r/ > 0 、 0 1 * r/ > 粤( 1 一 卫三~ 若 a , 一 般水 煤浆厂区管道输送 的输送压 力为。 . 1 一 1 。 。M P a , 长距离 管道输送 的输 送 压 力 为 1 . 。 一 l o M P a 。 这 样的 输浆压力通过煤 粒和 水作用在 管壁上 , 但这 个作用 力 远远小于材 料 的 屈服极限 ( 钢材的 口: 约为 30 o M P “ ) , 所 以磨粒— 煤颗粒与管壁的接触只 能是弹性挤 压

颗粒作用处的管壁材料前部受压，后部受拉，颗粒不断地滑滚过壁面，使得壁面材料反复受 到交变应力作用产生疲劳。这样经过次循环后，材料产生裂纹剥落，发生磨损。 2.2建模假设条件 本文管道磨损模型的建立基于下列假设条件： (1)煤浆中煤颗粒沿管道截面均匀分布，并且把所有的煤粒看作是等直径的球体。 (2)因为煤粒直径（平均约为？64m)远远小于管道直径，因此可以把煤粒与管道的接 触看作是球体与平面的接触。 (3)煤颗粒的法向截荷只是静压力，重力的作用忽略不计。 2.3赫兹接触 关于弹性接触的接触面积问题，赫兹(Hetz)进行了详细的推导c4)。如图3所示，在大 小为Fw的法向载荷作用下，球体与壁面发生弹性接触，其接触区宽度为2a，压下变形量为 。赫兹接触宽度可表示为： 2a=2(是）r (7) 式(T)中，R为颗粒球半径，Fw为法向载荷，E为综合弹性模量，E的计算公式是： 11+吃 E=E*E2 (8) 上式中，E1、E2分别为两种接触材料的弹性模量，”，、2分别为它们的波桑比。 赫兹分析还证明：虽然最大法向应力发生在表面，但是最大剪切应力￥。则发生在离表 面一定距离的内部深度Z处。对于滚动的球形颗粒，Z的值为0,47，而疲劳裂纹就产生于 Tm处。 777 dp 2a Water Particle 图3球体与平面的赫兹接触 图4磨损模型推导示意图 Fig.3 Hertz contact of ball with flat Fig.4 Diagram of inferring to wea ring plate model 2.4磨损模型 下面是关于管道年磨损率(1年内管壁磨损深度)的推导，如图4所示。 86

颗粒作用处的 管壁材 料前部受压 , 后部 受拉 , 颗粒不断地滑滚过壁面 , 使得壁面材料反复受 到交变应 力作用产生疲劳 。 这样经过 。 次循环后 , 材料产生裂纹剥落 , 发生磨损 。 2 . 2 建模假设条件 本文管道磨损模型的建立基于下列假设条件 : ( 1) 煤浆 中煤颗粒沿管道截面均匀分布 , 并且把所有的煤粒看作是等直径的球体 。 ( 2) 因为煤粒 直径 ( 平均 约为76 产 m ) 远远 小于管道直径 , 因此可 以把煤 粒与管道 的 接 触看 作是球体与 平 面的接触 。 ( 3) 煤颗 粒的法向截荷只是静压力 , 重 力的 作用忽 略不计 。 2 。 3 赫兹接触 关于弹性接触 的接触面积向题 , 赫兹 ( H e r tz )进行了详细的推导 “ ’ 。 如图 3 所示 , 在大 小为 F , 的法 向载荷作 用下 , 球体与 壁面发 生弹性接触 , 其接触区 宽度为 o2 , 压下 变 形 量 为 吞 。 赫兹接触 宽度可表示为 : 2一 2 (令普) ` ; 户 ( 7 ) 式 (7 ) 中 , R为颗粒球半径 , F N 为法向载荷 , E 为综合弹性模量 , E 的计算公式是 : 1 E 1 一 蜂 E 2 ( 8 ) 上 式中 , E l 、 E Z分别为两种接触材料的弹性模量 , , ; 、 v Z 分别为它们 的波桑 比 。 赫兹分析还证明 : 虽然最大法 向 应力发生在表面 , 但是 最大剪切应 力了 . 。 二 则发 生在离表 面一定距离的 内部深度 Z 处 。 对于滚动的球形顺粒 , Z 的值为0 . 47 a , 而疲劳裂纹就 产 生 于 丁 二 二 处 。 2 a t i e l e 日 t e r d 犷 图 3 球体与平面 的赫兹接触 F i g . s H e r t z e o n t a e t o f b a l l w i t h f l a t P l a t e 图4 磨损模型提导示意圈 F 19 . 4 D i a g r a 皿 o f i n r e r r i n g t o w e a r i n g m o d e l 2 . 4 磨损模型 下 面是关于管道年磨损率 ( 1 年内管壁 磨损 深度 ) 几 的推导 , 如图 4 所示

单位时间内流体体积： Q,=(1/4)VxD2 (9) 单位时间内煤颗粒体积： Vp=CrQr (10) 单位时间内流过的煤颗粒数目： K-d P (11) 煤粒子数密度： (12) 式(9)一(12)中，D、d、C、V分别是管道内径、颗粒直径、煤浆体积浓度和管内 平均流速。 取紧贴管壁的一个厚度为d,长度也为d,的圆环形单元体，则： dy内的煤粒子数为：K=子(D:-(D-2d,)2d,pr (13) 因为单个煤粒与壁面的接触长度为2a而不是d,所以即使在dV内全部排满颗粒也不能接触 到全部的管壁。实际的管壁接触率e可表示为： 1 e=_4 x〔D2-(D-2dp)2]dn'pr·2a 元D (14) 煤颗粒是随机运动的，它们在各个时间所处的位置都是随机均匀分布的，所以要经过 1/e个dV便可使全部管壁与颗粒发生一次弹性接触。设单位时间内全部管壁发生弹性接触次 数为m,则： m=(V/dp).e (15) 1年中壁面与煤粒应发生3.15×107×m次弹性挤压，而每弹性挤压m次后材料就发生1 次破坏，在这里，”为引起破坏的循环次数，它与接触双方受力情况及材料性能有关。这样， 管道的年磨损率可表示为： 1,=3.15x10m.Z (16) 进一步整理后得： 1=7,845x10?C,P nEa 17) 87

单位时间内流体体积 : Q 二 = ( 1 / 4 )犷汀 D “ ( 9 ) 单位时间内煤颗 粒体积 : 犷 , = C 二 Q ; ( 1 0 ) 单位时 间内流过的煤颗 粒数 目: K = P 夕 = 6犷 , 派 d ; ( 1 1 ) 煤粒子数密度 : 4 K 才刀 2 厂 ( 1 2 ) 式 ( 9 ) — ( 1 2 ) 中 , D 、 d , 、 平均流速 。 取紧贴管壁的 一 个厚度为 d , , C 。 、 F 分别是 管道内径 、 颗拉直径 、 煤浆体积浓度和 管内 长度也为 d , 的圆 环形单元体 , 则 : d 犷 内的煤粒子 数为 : 1 _ ~ . ~ _ . 、 。 _ . 八 = 一下一 万 L刀 ` 一 t刀 一 Z a p ) ` J a p . P 。 任 ( 1 3 ) 因为 单个煤粒与 壁 面的接触长度为 o2 而不是 d , , 所以即使在 d犷 内全部排 满颖 粒也不能接 触 到 全部的管壁 。 实际的管壁接触 率 e可 表示为 : 1 _ 一 _ ’ 一万一 汀〔I, 乙 一 一( ,L 一 Z d , ) ` 3 a 户 . P ; . Z a 任 万 D ( 1 4 ) 煤颗粒是随机运 动 的 , 它们在各个时间所处 的位置都是 随机均 匀分布的 , 所 以 要 经 过 1 e/ 个d犷便可使全部管壁 与颗 粒发生一次弹性接触 。 设 单位 时间内全部管壁发生弹性接触次 数为 m , 则 : m = (犷 / d , ) 一 e ( 1 5 ) 1 年中壁面与煤粒应发生 3 . 1 5 x 1 0 7 x m 次 弹性挤 压 , 而每弹性挤 压 。 次后材料就发 生 1 次破坏 , 在这里 , , 为引起破坏的循 环 次数 , 它与 接触双方受力 情况及材料性能有 关 。 这样 , 管道的年磨损率可表示为 : 3 。 1 5 x 1 0 7 m 称 ( 1 6 ) 进一步整理后 得 : _ C , 犷 尸 2 才` 二 7 · 8 4 5 x l o r 一硕酥一 ( 1 7 ) 忘了